人工濕地氮去除途徑及提高方法研究進展

孫振凱，董 彬，王雯慧，劉任鵬，呂晶晶，杜錢坤

(臨沂大學 資源環境學院，山東 臨沂 276000)

1 引言

人工濕地是用于處理污水的人工生態系統，包括基質，水生植物，微生物和水體。其效果穩定、去除污染物能力強、工藝技術相對簡單、建造和運行費用便宜、系統容量大，是一種有效消減水體氮素污染的重要生態手段[1]。主要通過基質的吸附過濾，濕地植物的吸收同化、硝化-反硝化、氨化來凈化污水。但是，在濕地系統的實際運行中，不同系統的脫氮效率存在差異，其中水體溶解氧(DO)、pH值、溫度和基質是影響氮去除的主要因素。本文總結了人工濕地的脫氮途徑和影響因素，并給出了提高脫氮效率的方法。

2 人工濕地氮去除的主要途徑

2.1 基質的吸附和過濾

2.2 濕地植物的吸收同化作用

同化是一種生物過程，是指濕地植物從污水中獲得氮元素進入細胞組分。通常用于人工濕地的植物包括蘆葦、香蒲、菖蒲、美人蕉等。雖然植物對氮素的直接吸收作用在整個氮循環過程中所占比重比較小，但在整個系統中所起的綜合作用是不可忽視的。植物濕地系統的氮去除效果明顯優于無植物的濕地系統，有水生植物的濕地系統具有較好的脫氮效果。通過植物吸收同化去除的氮約占8%～16%。

2.3 濕地微生物分解轉化

濕地系統中的微生物種類繁多，分布廣，沉積物、水體、水生植物莖葉表面均有微生物存在，氮循環功能微生物參與的分解轉化是污水中氮去除的關鍵。氮去除相關的微生物主要包括氨氧化微生物、硝化微生物、反硝化微生物、厭氧氨氧化微生物等，可占氮去除總量的60%～90%[1]。水生植物光合作用輸氧可以使根系附近區域呈現好氧狀態，好氧微生物可利用氧氣分解該區域的大部分有機氮；硝化細菌則在這一區域進行硝化作用；遠離根區的沉積物呈微氧或缺氧狀態，反硝化微生物和厭氧氨氧化微生物將硝態氮和銨態氮還原為氣體脫離水體。研究發現，污水中微生物數量，尤其是硝化菌和反硝化菌的數量，與氮去除效率存在正相關。

2.4 水生動物

濕地動物是濕地系統不可或缺的一部分，在人工濕地生態系統的生態平衡中起著重要作用，使系統更加穩定。蚯蚓等低級動物可以清潔垃圾，減少系統排泥次數；其他魚類鳥類等動物可以在人工濕地中形成大規模的食物網，通過取食去除一定量的氮，同時防止蚊蠅蟲害，保證濕地生態系統的穩定運行。

2.5 硝化-反硝化

3 人工濕地氮去除影響因素

3.1 溶解氧

水體中溶解氧DO的分布對脫氮效率影響較大，溶DO濃度與硝化反應密切相關。 硝化菌是好氧菌，供氧充分時會大量繁殖,而反硝化細菌多為厭氧菌，多生活在遠離根區的缺氧、厭氧區域。提高溶解氧濃度將加速硝化反應的進程，提高好氧微生物生長速度，抑制反硝化作用。

3.2 pH值

3.3 溫度

溫度是濕地系統中氮去除效率的重要因素。 溫度可影響微生物生長的速率和活性，并且影響硝化-反硝化的反應正常進行。濕地系統中除氮的適宜溫度為20～25 ℃。溫度下降會影響濕地植物的生理活動，減少植物的氮吸收和濕地系統氧氣供應。因此，如果溫度降低或過高，則系統中氮的去除率將降低。

4 提高氮去除效率的方法

4.1 科學選擇搭配基質

由于系統中基質的種類及不同基質的組合方式、比例的物理化學性質不盡相同，對氮的去除率有顯著的差異。因此要科學選擇搭配基質，可以根據實際情況選擇基質種類或組合基質，以提高除氮效率。

4.2 選擇合適的濕地植物

濕地植物可以通過影響改變水中環境，從而影響氮去除速率。濕地植物的除氮效率隨季節變化較大，污水去除效果很大程度上取決于濕地植物和微生物的季節性變化，選擇合適的濕地植物非常重要。選擇生長迅速、生物量大、根系發達、耐污性強、環境適應性強的濕地植物可顯著提高濕地系統的穩定性。植物多樣性高的人工濕地系統更有利于人工濕地的脫氮。

4.3 科學供氧

人工濕地系統在實際運行中易發生堵塞而造成系統內部缺氧，形成厭氧環境，不利于濕地的硝化菌的繁殖和硝化反應的進行，但若要厭氧區DO不可超過0.5 mg/L，則有利于反硝化過程高效運行，因此要在有效范圍內科學合理控制DO含量，人為創造厭氧-有氧交替的異質性環境，促進微生物的繁殖，從而提高人工濕地的氮去除效率。

4.4 優化強化氮去除微生物

硝化細菌是硝化-反硝化過程中關鍵的部分，硝化速率與污水中硝化細菌的含量直接相關[3]。但由于人工濕地的內部環境隨外界環境影響較大，有時無法滿足微生物生長的最佳pH值和溫度條件。因此，在人工濕地系統中篩選的高效硝化細菌和亞硝化細菌菌株，培養富集反硝化細菌并添加到濕地系統中，將顯著提高氮去除效率。

4.5 引入水生動物

在濕地系統中加入蚯蚓、黃鱔、泥鰍等水生生物，可改善沉積物中的氧環境，加快能量流動和物質循環，保持濕地生態系統的緊密聯系，降低植物根部和基質中銨態氮含量。而且動物的取食對除氮效率也有一定提高。

4.6 優化進水方式

系統的進水方式對污水和基質的接觸程度、DO濃度、停留時間有較大影響。因此改進進水方式對于氮去除效率是非常重要的。不同進水方式的凈水能力、除氮效率、成本、運行費用有所區別，要根據污水水質和其他因素選擇最合適的進水方式。

5 結語

人工濕地已經廣泛應用于各種領域的污染水體修復，但與日益增加的富氮污水量相比，人工濕地的污水處理量還遠遠不夠。對如何盡可能多地使濕地中氮素以無污染的氮氣(N2)的形式離開水體，減少溫室氣體氧化亞氮(N2O)、甲烷(CH4)等的排放，還需要深入研究，還需要改進和創新更加經濟高效的人工濕地處理技術。